畢業設計---20萬噸年乙苯脫氫制苯乙烯裝置工藝設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 子進行示蹤的方法，獲得脫氫催化劑中晶格氧參與反應的確鑿證據，從而制定增加 晶格氧活潑性的方案，促進氧轉移脫氫反應的快速進行。 對稀土元素在脫氫催化劑中的應用研究 對稀土促進的 Fe 2O3— K2O 系脫氫催化劑而言，在 Fe2O3微晶的相邊界發生了氧化還原反應如： Fe3++X3+==Fe2++X4+，促進了 Fe3+/Fe2+電子傳遞更頻繁地進行，加速了氧化 還原 反應 周期， 從 而使催化劑脫氫活性增加，脫氫溫度降低。目前國內外催化劑中均采用部分稀土元素作為促進劑。我國作為世界上的稀土大國，稀土資源十分豐遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 6 富，以往脫氫催化劑研究中對稀土種類的選擇范圍太窄，復合稀土的應用尚未涉及，應加強此類工作的研 究。 充分認識催化劑的結構對性能的影響 催化劑的結構決定催化劑的性質。脫氫催化劑中存在的多鐵酸鉀 11 17KFe 0 具有23K Al 0?? 型結構，鉀離子隱藏在 Fe— O 骨架形成的尖晶石層狀結構中，且可在其中自由移動以傳輸電子。 國內這些年對 Fe2O3與 K2O 相互作用形成的多鐵酸鉀 11 17KFe 0 尖晶石結構逐步有了認識，對尖晶石結構對催化劑活性、穩定性、機械強度、耐水性能的影響有了初步了解，然而對該結構的 形成機理以及影響它形成的因素缺乏系統認識，缺少在催化劑獲得大量 11 17KFe 0 尖晶石結構的有效手段。 重視催化劑制備技術的研究 根據乙苯脫氫反應動力學模型，催化劑的外形、尺寸等脫氫反應性能均存在明顯影響。除常見的圓柱型催化劑外，國內有關單位 還研制了三葉型、車輪型催化劑。為脫氫催化劑的性能提高開辟了新的研究途徑。然而，隨著研究的深入，突出的是催化劑的機械強度問題。低強度的催化劑在應用過程中可能會產生粉化，使得催化劑的床層阻力降明顯提高，導致裝置停車。因此應同時對催化劑的 成型、焙燒等手段進行同步研究。 開展催化劑應用技術的研究 催化劑的裝填、開車乃至于拆卸都會對催化劑使用效果產生影響。改變目前人工裝填催化劑對催化劑損傷大、勞動強度高、裝填均勻性差的狀況，改用機械裝置真空裝填的方法，要對裝填技術和裝填機械進行研究。對催化劑的拆卸技術進行專門研究，形成專門的燒焦技術，以達到保護關鍵設備反應器的目的。還應對催化劑開車初期活化條件進行研究，使得催化劑中 Fe3+/Fe2+之間實現轉化并盡快達到平衡，遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 7 以降低催化劑初始使用溫度，為催化劑使用壽命的延長贏得寶貴的時間。此外，從環境保護的角度 出發，為廢棄催化劑的利用尋找新途徑，為實現綠色工藝奠定基礎。 苯乙烯生產方法概述 乙苯脫氫法 乙苯脫氫法是目前生產苯乙烯的主要方法。在工業上，乙苯的來源主要采用烷基化法，苯和乙烯在催化劑的作用下生成苯乙烯，其次從煉油廠的重整油、烷烴裂解過程中的裂解汽油和煉焦廠的煤焦油中通過精餾分離出來。 此法分兩步進行，第一步是苯和乙烯反應，生成乙苯；第二步是乙苯脫氫生成苯乙烯，其反應式為： 乙苯共氧化法 乙苯共氧化法，又稱哈康法，該法分三步進行，首先是生成乙苯過氧化氫，然后將乙苯過氧化氫與丙烯反應，生成 ? ?甲 基 苯 甲 醇 和環氧丙烷，然后使前者脫水生成苯乙烯。 遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 8 甲苯為原料合成苯乙烯 以甲苯為原料合成苯乙烯共有兩種方法。第一種方法分為兩步，第 一步為采用23/P bO M gO A l O? 為催化劑，在水蒸氣存在下使用苯脫氫縮合生成苯乙烯基苯；第二步將苯乙烯基苯與乙烯在 22/WO K O SiO? 催化劑作用下生成苯乙烯。 另一種方法為甲苯和甲醇直接合成苯乙烯，此方法正在研究之中，未進行工業化生產。 乙烯和苯直接合成苯乙烯 采用貴金屬催化劑，可在液相，也可以在氣相中進行反應，副產品有乙烯、乙醛、二氧化碳等。此技術正處于研究之中，有一定的發展前景 [7]。 乙苯氧化脫氫 此種方法的特點是不受乙苯脫氫平衡的限制，也不采用水蒸氣。目前尚在研究階段，是一個極有發展前景的生產路線 [8]。 212O遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 9 乙苯脫氫制苯乙烯工藝方法概述 在國內的苯乙烯裝置中， 主要采用乙苯脫氫制苯乙烯法進行 生產主 ，其主要工藝方法為 Lummus／ UOP 乙苯脫氫工藝、 Fina／ Badger 乙苯脫氫工藝和乙苯脫氫選擇性氧化工藝（ Smart 工藝）。 Lummus／ UOP 乙苯脫氫工藝 該工藝的脫氫反應在脫氫反應器中進行，反應溫度為 600~640℃，反應壓力為400kPa(A)左右，同時向反應器中 加入蒸汽以降低苯乙烯分壓，蒸汽／乙苯質量 為~， 乙苯轉化率 60%以上，苯乙烯選擇性達 95%以上。 反應器內設有約翰遜網，氣體在徑向 上分布均勻，壓降較低 [9]。 第二脫氫反應器出口的反應產物首先將乙苯／蒸汽預熱，然后產生兩個壓力等級的低壓蒸汽。 脫氫液先經過乙苯／苯乙烯塔，從塔頂分離 苯、 甲苯、乙苯等比苯乙烯輕的組份去乙苯回收塔及苯／甲苯分離塔，從塔底采出的粗苯乙烯去苯乙烯塔，然后得到苯乙烯產品。 脫氫液的分離采用四塔流程，苯乙烯經歷二次加熱。乙苯／苯乙烯塔采用高真空低釜溫的工藝，操作壓力為 12~40kPa(A)，焦油生成量少。 Fina／ Badger 乙苯脫氫工藝 該工藝同樣采用絕熱脫氫方法，高溫蒸汽提供脫氫需要的熱量并降低進料中乙苯的分 壓和抑制結焦。蒸汽過熱至 800~890℃，與預熱器內的乙苯混合后再通過催化劑，反應溫度為 580~650℃，壓力為負壓，蒸汽 /乙苯質量比為 ~。反應器材質為鉻鎳，反應產物在冷凝器中冷凝 [10]。 212O遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 10 反應系統、脫氫液分離、尾氣壓縮及洗滌等部分與 Lummus／ UOP 的乙苯脫氫工藝基本相同，但廢熱回收換熱器的型式及流程與 Lummus／ UOP 乙苯脫氫工藝不同。 在 Fina／ Badger 工藝中，第二脫氫反應器出口的反應產物首先在第一個換熱器中將乙苯／蒸汽預熱，然后進入第二換熱器產生高壓蒸汽，最后進入第三個換熱器中，利用反應產物的余熱將脫氫單元的乙苯汽化。 Fina／ Badger 工藝的苯乙烯精餾工藝與 Lummus／ UOP 工藝差別較大，脫氫液先經過苯／甲苯塔，從塔頂分離出苯、甲苯等比乙苯輕的組份，從塔底得到乙苯、苯乙烯等比乙苯重的組份；苯／甲苯塔底物料進入乙苯回收塔，在乙苯回收塔頂得到回收乙苯，塔底為含有重組份的苯乙烯；乙苯回收塔底的物料進入苯乙烯塔，去除重組份后在苯乙烯塔塔頂得到苯乙烯產品。 脫氫液的精餾雖然也采用四塔流程，但苯乙烯經歷了三次加熱。 乙苯脫氫選擇性氧化工藝（ Smart 工藝） 乙苯脫氫選擇性氧化工藝主 要是向脫氫反應器的出口物流中加入定量的氧氣及蒸汽，然后進入氧化／脫氫反應器，該反應器中裝有高選擇性氧化催化劑及脫氫催化劑，氧與氫反應產生的熱量使反應物流升溫，同時使反應物中的氫分壓降低，打破了傳統脫氫反應的熱平衡，反應向生成苯乙烯的方向移動。選擇氧化催化劑活性很高，對氫具有高選擇性，同時烴損失很少 [11]。 此工藝將乙苯單程轉化率提高至 70%以上，同時有效地利用了氫氣氧化反應所放出的熱量，適用于對常規苯乙烯裝置改造，可使生產能力提高 30%~50%。 Aspen Plus 軟件 及 功能簡介 Aspen Plus 作 為目前通用的大型化工過程模擬軟件，提供了豐富的物性數據，熱力學模型和單元操作模型，用于化工過程的模擬和優化。其計算結果得到許多同行的認可，該軟件也和其他軟件一樣在不斷地升級。在化工、煉油、石油化工、氣遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 11 體加工、煤炭、醫藥、食品等許多工業領域被廣泛使用。在化工工程設計中運用Aspen Plus 模擬，不僅大大縮短了工 程設計時間，也很方便的進行工藝方案的優化。 化工系統工程主要包括模擬、優化、靈敏度分析和系統綜合等，其中模擬是基礎，也是最重要的環節。 Aspen Plus 因為具有工業上最適用且完備的物性系統，作為計 算機輔助性軟件能精確模擬出實際化工過程而得到廣泛應用。 Aspen Plus 具有以下特點： (1)擁有一套完整的單元操作模型，用于模擬各種操作過程，從單個操作單元到整個工藝流程的模擬。 (2)具有工業上最適用而完備的物性系統。同時還提供靈活的數據回歸系統，使用實驗數據來求物性參數，可以回歸實際應用中的任何類型的數據，計算任何模型參數。同時物性常數估算系統 (PCES)能夠通過輸入分子結構和易測性質來估算短缺的物性參數，對于模擬流程中含有的新產品往往運用此功能非常有用。 (3)提供流程模擬所需的多種功能，快速而可靠地收 斂流程，便于快速準確的進行流程優化計算。 (4)作工藝計算的同時進行經濟評價，用戶能夠估算基建費用和操作費用，進行過程的技術經濟評價。經濟評價可以應用于任何階段，從工藝過程的研究開發、設計、工廠建設以及工廠操作過程等 [12~14]。 Aspen Plus 模擬軟件在化工生產過程中的精餾、蒸餾、吸收等常規單元操作裝置設計開發和應用上已經取得顯著成果，并取得了運用模擬解決實際生產中遇到的問題及為節能降耗進行的工藝設備改進的經驗。化工是一個復雜龐大的系統，針對一些復雜工藝操作過程往往很難單一的利用 AspenOne 模擬軟件準確模擬工藝過程，應尋求與其他軟件結合起來達到最佳的模擬優化效果。同時以后應進一步擴大應用范圍結合工程設計做更深入的開發和應用，特別是將裝置設計、工藝操作、基礎建設成本投資、經濟評價及效益分析結合起來，使 Aspen Plus 在工程應用中更加有效地發揮其功能。 遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 12 本設計方案主要內容 及意義 本設計 方案為 20 萬噸 /年乙苯脫氫制苯乙烯裝置進行 了 詳細 的設計。對反應器和精餾塔進行物料衡算，選擇適宜的操作條件和進料組成。通過計算機流程模擬軟件 Aspen Plus 對反應器和精餾分離部分進行了模擬運算，得到了反應 器與精餾塔的工藝尺寸。并對所 需相關輔助設備的溫度、壓力、物料的摩爾組成 進行了 計算，經過反復調整，并確定比較理想的生產工藝。 本設計方案的最大特點是利用了計算機流程模擬軟件 Aspen Plus 對 20 萬噸 /年乙苯脫氫制苯乙烯裝置進行了模擬優化，通過計算機的反復驗算得到了更為合理的工藝尺寸。 該套苯乙烯裝置的模擬優化為國內同類裝置的流程優化提供了經驗。 遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 13 2 設計部分 設計任務書 設計題目： 20 萬噸 /年乙苯脫氫制苯乙烯裝置工藝設計 處理量：乙苯 20 萬噸 /年 乙苯催化脫氫主、副反應 主反應及反 應熱如下： 選擇性： 90% 副反應主要有乙苯的裂解、加氫裂解、水蒸汽轉化、聚合和縮合反應 等。 苯乙烯純度 99%（質量），苯乙烯損失量 2%（質量） ，乙苯脫氫轉化率為 75%（絕熱）。 乙苯脫氫催化劑 采用 11氧化鐵催化劑， d=3mm， h=13mm 乙苯脫氫反應條件 反應溫度： 600~660℃ (8 7 3 ) 1 2 5 /H K k J m o l??(8 7 3 ) 1 0 2 /H K kJ m o l? ? ? 選擇性： 4% (8 7 3 ) 6 4 .4 /H K k J m o l?? 選擇性： 3% ( 2 9 8 ) 4 1 .8 /H K k J m o l??選擇性： % (8 7 3 ) 1 .7 2 /H K k J m o l?? 選擇性： 1% (87 3 ) 79 3 /H K k J m ol??選擇性： % 遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用紙 14 壓力：常壓，加入水蒸氣來稀釋原料氣，以降低乙苯的分壓，提高乙苯的平衡轉化率。水蒸氣與乙苯摩爾比 16~20。 空速：乙苯液態空速 ~。 乙苯脫氫工藝流程 原料氣與反應尾氣經熱量交換后，再經預熱進入脫氫絕熱反應器，熱量靠過熱蒸氣（ 720℃）帶入，入口溫度達 610~660℃，催化劑床層分三段，段與段之間加入過熱蒸氣，全部蒸氣與乙苯的摩爾比為 14:1。反應產物經冷凝器冷卻后，分離為氣液兩相，氣相產物中含有大量的 H2 及少量的 CO、 CO2，可作燃料使用。冷凝液經一系列精餾后將其中的苯、甲苯、乙苯分離出來，在苯乙烯精餾塔中得到苯乙烯，塔底產物為焦油。 物料衡算 乙苯脫氫制苯乙烯裝置包括脫氫和精餾兩個單元 。為簡化計算，根據設計任務書，做出如下假定： (1) 反應原料組成為純乙苯，年工作日為 300 天，每天 24 小時， 即裝置處理量為：乙苯 圖 2 1 苯乙烯流程示意圖 ； ； 、乙苯分離塔； ； 、甲苯分離塔； 432 0 1 0 1 0 2 7 7 7 7 . 7 8 / 2 6 2 . 0 5 /3 0 0 2 4 k g h k m o l h?? ???遼寧石油化工大學畢業設計（論文）用